JP3752251B2

JP3752251B2 - 自走式移動車

Info

Publication number: JP3752251B2
Application number: JP2004195332A
Authority: JP
Inventors: 敏弘妹尾; 圭祐原; 毅小河; 昭広岡崎
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: US8049902B2; US20070203622A1; JP2006018562A; EP1768008A1; WO2006003841A1; EP1768008A4

Description

本発明は、前後直進移動と旋回移動が可能な自走式移動車に関する。

従来、走行装置、走行制御手段、各種センサー類及び作業装置を持ち、走行しながら、或いは目的位置に移動して自動的に各種作業を行う自走式ロボットが提案されている。例えば、自走式掃除ロボットは、作業機能として清掃機能を行うロボットであり、本体底部に設けられる吸い込みノズルやブラシ等の清掃手段、移動機能として駆動及び操舵手段、走行時に壁や柱、家具、事務機等の障害物を検出する障害物検出手段、及び位置を認識する位置認識手段を備えている。障害物検出手段によって清掃場所の周囲壁や柱等の障害物を検出しつつ、位置認識手段によって自己位置を認識し、清掃領域内を移動して所定の清掃領域を清掃する。

自走式掃除機において、床面の光像の変化から二次元の移動距離を検出する複数の光学式移動距離センサーと、これらのセンサーによって検出された二次元の移動距離に基づいて掃除機本体の二次元の移動距離及び旋回角度を検出する移動両検出部と、検出された二次元の移動距離及び旋回角度に基づいて掃除機本体の移動を制御する移動制御部とを設けて成り、移動距離と旋回角度とを高精度で検出して正確にロボット本体の走行制御を図った自走式掃除機が示されている（特許文献１）。
特開２００３−１８０５８６号公報（段落［００３６］〜［００３９］、図１〜図５）

この従来の自走式移動車では、光学式変位センサーユニットを複数搭載しなければならず、このことはコスト上昇要因となっている。また、一般家庭の室内を移動するような場合には本体の小型化が重要であるが、複数のセンサーを設けるためにはそのためのスペースを用意する必要がある。更に、自走式移動車の移動距離を計測する手段として、車輪の回転量を検知する回転数センサーがあるが、回転数センサーは、車輪等の足まわりにおける設置位置や大きさに制約があり、小型化の阻害要因となっている。

そこで、本体を移動させるための移動手段、本体に設けられた変位センサー及び変位センサーが検出した変位に基づいて移動手段の制御を行う移動制御手段を備えた自走式移動車において、自走式移動車の前後直進距離と旋回角度を１つの変位センサーによって検出可能とする点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、移動手段とそのための移動制御装置とを備え、１つの変位センサーを用いて前後直進移動時の前後直進距離とその場回転時の旋回角度を求めることで現在位置と向きを知って自動走行をすることができ、省スペース化と、低コスト化とを図ることができる自走式移動車を提供することである。

本発明は、本体に備わり前記本体を移動させるための移動手段、前記本体に設けられた変位センサー及び前記変位センサーが検出した変位に基づいて前記移動手段の制御を行う移動制御手段を備えた自走式移動車において、前記移動制御手段は、前記移動手段による前記自走式移動車の移動パターンを前後直進移動又はその場回転移動に指定し、前記変位センサーは、前記自走式移動車が前記その場回転移動をするときの回転中心軸線上以外の位置に配置されて走行床面を撮影する１つの光学式変位センサーであり、前記回転中心軸線を通る車体前後中心線に一致する前後軸と、前記回転中心軸線を通り前記車体前後中心線に直交する車体左右中心線と平行な左右軸とから成る直交２軸を変位検出軸として有しており、更に、前記移動制御手段は、前記光学式変位センサーが撮影した前記走行床面の画像の変動データに基づいて、前記自走式移動車が前記前後直進移動をするときに前記前後軸方向に検出される前記変位から前後直進距離を求め、前記自走式移動車が前記その場回転移動をするときに前記左右軸方向に検出される微小な前記変位について前記回転中心軸線の回りに見込む角度を微小な前記変位毎について逐次積算することでその場旋回角度を求めることを特徴としている。

この自走式移動車によれば、移動手段による自走式移動車の移動パターンが前後直進移動又はその場回転移動に指定されているので、変位センサーが一つの光学式変位センサーであっても、例えば、走行床面上の模様等を所定の時間間隔で撮像し時間前後の画像を比較することで、自走式移動車が前後直進移動するときに前後軸方向に検出される変位から移動した前後直進距離を求め、自走式移動車がその場旋回移動をするときに左右軸方向に検出される微小な変位を回転中心軸線の回りに見込む角度を微小な変位毎について逐次積算することにより旋回角度を求めることができる。また、変位センサーを１つの光学式変位センサーとすることで、車輪の回転を検出するための回転センサーを足まわりに設ける必要がなくなると共に、複数の光学式変位センサーを配置するためのスペースの制約がなくなり、省スペースを図ることができ、更に、センサーの個数が少なくなるのでコスト的にも安価となり、特に、家庭用の自動掃除機等の小型の自走式移動車を安価に提供することができる。

一つの光学式変位センサーユニットが撮影した画像から移動量を計測するためには、特に回転移動量についてはその有無を含めて事前にわからないため、一般には、座標回転変換を伴う計算（行列計算）をする必要がある。そのためには、処理能力の高いマイクロコンピュ−タを搭載しなければならず、このことは自走式移動車のコスト上昇の一因となっている。本発明による自走式移動車は、前後直進移動とその場回転移動とを組み合わせることで任意の地点に到達できる。移動制御手段は、移動手段による自走式移動車の移動パターンを前後直進移動又はその場回転移動に指定しており、光学式変位センサーがそれぞれの移動パターンでの変位を検出することができる。検出した変位から自走式移動車の直進距離と旋回角度を求める計算は、予め指定されて既知の移動パターンに応じて行われるために、簡単になる。即ち、光学式変位センサーが撮影した走行床面の画像の変動データに基づいて、自走式移動車が前後直進移動するときに移動した距離が直進距離として求められ、自走式移動車がその場旋回移動をするときに左右軸方向に検出される微小な変位を回転中心軸線の回りに見込む角度を微小な変位毎について逐次積算することで旋回角度が求められる。その結果、搭載するマイクロコンピュ−タには、計算処理能力がさほど高くないものでも採用することが可能となる。

この自走式移動車においては、光学式変位センサーは、直交２軸を変位検出軸として有するセンサーとされている。直交２軸は、その場回転をする平面内の２軸である。この場合、自走式移動車がその場回転をするときの回転中心軸線上の位置は、光学式変位センサーがその位置に置かれたときには回転移動量を正常に検出できない位置である。したがって、光学式変位センサーはその場回転をするときの回転中心軸線上の位置を除いた位置に設置される。

この自走式移動車においては、光学式変位センサーの変位検出軸は、自走式移動車がその場回転をするときの回転中心軸線を通る車体前後中心線に一致する前後軸と、前記回転中心軸線を通り前記車体前後中心線に直交する車体左右中心線と平行な左右軸とされている。即ち、光学式変位センサーをその場回転をするときの回転中心軸線上以外の位置に配置するに際して、光学式変位センサーの直交２軸から成る変位検出軸の方向は、回転中心軸線に対して、前後直進方向と一致する径方向及びそれと直交する周方向と一致する。自走式移動車が前後直進する移動パターンでは、車体前後中心線に一致する前後の変位検出軸の方向が移動方向に一致しているので、前後直進移動量を直接に検出することができる。また、自走式移動車がその場回転をする移動パターンでは、左右の変位検出軸の方向が回転移動方向に一致しているので、その場回転移動量を左右方向の微小な変位を見込む角度を微小変位毎について逐次積算することで検出することができる。いずれの場合も、移動量は、簡単な積算によって求めることができる。

この自走式移動車において、光学式変位センサーを球面又は曲面の接地面を有するセンサーとすることがきる。光学式変位センサーが球面又は曲面の接地面を有することによって、自走式移動車が床面を走行するときに、球面又は曲面の接地面が床面上の多少の凹凸を難なく通過することができる。

上記のように、本発明による自走式移動車においては、車輪の回転量センサーではなく、走行床面を撮影する１つの光学式変位センサーを用いているので、足まわりの省スペース化を図り、部品点数の減少に基づいて低コスト化を図ることができる。また、自走式移動車の移動パターンが限定されているので、１つの光学式変位センサーが検出した画像データに基づいて、自走式移動車の移動距離、即ち、前後直進距離及びその場回転による旋回角度を処理能力がそれほど高くない安価なマイクロコンピュ−タで計算することができる。したがって、自走式移動車の製造コストを更に低減させることが可能となる。特に、その場回転による旋回角度については、光学式変位センサーの配置をも合わせて工夫することによって、座標回転変換のような高処理能力が要求されることなく、自走式移動車の左右軸方向の微小な変位を見込む角度を当該微小な変位毎について逐次積算することで得ることができる。

以下に、添付図面を参照して、この発明による自走式移動車の実施例を説明する。図１は本発明による自走式移動車が掃除機として適用された一例を示す側面図である。自走式移動車の本体１の底部には、幅方向に対向する二つの走行用の駆動輪２が設けられており、また、市販の掃除機と同様に、駆動輪２に対して走行方向に離れた位置に本体１を支えるための補助輪６が設けられている。駆動輪２は、制御部３からの制御信号を受けて駆動モーター（図示せず）によって回転される。前進の場合には両駆動輪２，２が前進方向に同時に回転し、後退の場合には両駆動輪２，２が後退方向に同時に回転する。旋回のときには両駆動輪２，２を異なる方向に同じ速さで回転させることで、移動車はその場回転をする。また補助輪６は、例えばボールキャスターのように、これらの動きに沿って本体１が滑らかに走行できるように自在に回転する。前進・後退と旋回と停止動作の組合せにより自走式移動車は走行床面上の任意の点に移動する等、室内を自在に走行することができる。

本体１の前方には、作業部５が設けられており、作業部５を例えば清掃の吸い込み口にすることにより床面の掃除作業を行うことができる。また、作業部５は、本体底面に設けられている場合だけでなく、監視用のカメラを搭載するような場合も考えられる。

本体１の底面後方には光学式変位センサー７が設けられている。図２はこの光学式変位センサーの構造を表す図である。光学式変位センサー７は、例えば市販されている光学マウスのように、床面のような撮影対象を拡大するレンズ１０と、撮影対象を照らすＬＥＤのような発光体１１と、例えばＣＣＤのようなイメージセンサー９とを備えている。光学式変位センサー７は、例えば１秒間に１０００回或いはそれ以上というような短い周期で連続的に撮像し、時間的に前後する撮影画像を比較することで、床面の変位を算出し、出力することができる（詳細は後述）。イメージセンサー９からの出力を、データ出力線４を通じて制御部３で積算することにより、本体１の移動距離を計測することができる。変位センサー７は、移動車のスタート地点からの相対位置を正確に把握するためのセンサーであって、未開拓の領域の地図を作成する場合の位置の把握、スタート地点に戻るための自己位置の把握、でき上がった地図上の自己位置の把握に役立つものである。

光学式変位センサー７は支持部８によって本体１に支持されており、尚且つスプリングダンパーのような適切な手段で床面に押し当てられている。床面に接する底面部１２は、球状あるいは滑らかな曲面になっており、床面の多少の凹凸に追従して上下に滑らかに動作することで、常に安定して床面の移動量を検出することができる。

図３に基づいて、光学式変位センサー７の原理を説明する。例えば、あるとき床面の模様の画像２１がイメージセンサー９で撮像され、その後、本体１が移動することによって模様の画像が画像２２に移動したとする。このとき、光学式変位センサー７は、画像２１と画像２２を比較することで、Ｘ方向の変位（以下ｄＸ）２３、Ｙ方向の変位（以下ｄＹ）２４を出力する。光学式センサー７は移動車の速度に対して高速で撮影を繰り返しているので、比較する二つの画像で同一の模様が撮影されているとすることができる。なお、この演算はセンサー７側で行うのに代えて、制御部３で行ってもよい。

図４は、自走式移動車における光学式変位センサーの配置図である。図４を参照して、一つの光学式変位センサー７を用いて本体１の移動量を検知する方法を説明する。図４において、左右の駆動輪２，２の車軸を結ぶ線が車体左右中心線３１であり、車体左右中心線３１上の車輪２，２の左右中心点から垂直に本体１の前後方向に延びる線が車体前後中心線３２である。車体左右中心線３１と車体前後中心線３２とは直交した２軸を構成している。車体左右中心線３１上の車輪２，２の左右中心点は、車輪２，２が互いに逆方向に同じ速さで回転するときに移動車がその場回転をする場合の回転中心軸線３５である。

光学式変位センサー７は、イメージセンサー９の変位検出軸Ｘ，Ｙが車体側の直交２軸と平行となるように取付けられている。即ち、図４では、イメージセンサー９の変位検出軸ｄＸ３３は車体左右中心線３１の方向と平行な左右軸であり、イメージセンサー９の変位検出軸ｄＹ３４は車体前後中心線３２と一致した前後軸である。自走式移動車の移動がどのような移動形態に基づいているのかを予め移動パターンとして与えることによって、搭載するマイクロコンピュ−タの処理能力が高くなくても、自走式移動車の移動量を簡便に知ることができる。移動パターンとしては、上記したように、前後の直進移動とその場旋回移動とすることができる。

上記のような光学式変位センサー７の配置と自走式移動車の移動パターンの選択とにより、本体１が前後直進する移動パターンの場合には、イメージセンサー９の画像は各瞬間でＹ軸方向にのみ変位し、ｄＹが出力される。即ち、変位検出軸の方向を直進移動する方向に一致させているので、前後直進移動量を直接に検出することができる。また、本体１がその場回転をする移動パターンの場合には、画像は各瞬間でＸ軸方向にのみ変位し、ｄＸが出力される。即ち、変位検出軸の方向を周方向に一致させているので、その場回転の移動量（旋回角度量）を直接に検出することができる。つまり、ｄＹは直進した場合の直進距離を示し、ｄＸは旋回した場合の旋回角度を示すことになる。この値を制御部３で積算することにより、１つの光学式距離センサー７で本体１の移動量を計測することが可能となる。この移動量計算の際には、複雑な座標変換を行うための行列計算は必要ではない。なお、上記において、ｄＸとｄＹが入れ替わっても問題ない。

イメージセンサー９の配置として、車軸を結ぶ車体左右中心線３１と車体前後中心線３２との交点本体１が旋回した場合に正常に変位が検出できない。したがって、その場回転時の回転中であるその場回転時の回転中心軸線３５にイメージセンサー９の中心を一致させると、心軸線３５は、光学式変位センサー７の設置場所としては不適当である。

これら２組の軸が一致していない場合（ななめに大きくずれている場合）には、本体１が直進する場合にも旋回する場合にも、イメージセンサー９上の画像は斜めに移動する。このため、いずれの場合にもｄＸ、ｄＹが出力される。この場合も回転座標変換を制御部３で行うことにより移動距離の計測は可能である。しかしながら、回転座標変換は、浮動小数点が多くなる演算を行うので、制御部３に処理能力の低い安価なマイコンを使用する場合には不利である。

本発明による自走式移動車の一例を示す側面図。本発明による自走式移動車における光学式変位センサーの構造図。本発明による自走式移動車における光学式変位センサーの原理図。本発明による自走式移動車における光学式変位センサーの配置図。

符号の説明

１本体
２駆動輪
３制御部
４データ出力線
５作業部
６補助輪
７光学式変位センサー
８支持部
９イメージセンサー（ＣＣＤ）
１０レンズ
１１発光体（ＬＥＤ）
２１、２２床面の画像
２３Ｘ方向の変位ｄＸ
２４Ｙ方向の変位ｄＹ
３１車体左右中心線
３２車体前後中心線
３３ｄＹ
３４ｄＸ
３５その場回転をする場合の回転中心軸線

Claims

本体に備わり前記本体を移動させるための移動手段、前記本体に設けられた変位センサー及び前記変位センサーが検出した変位に基づいて前記移動手段の制御を行う移動制御手段を備えた自走式移動車において、
前記移動制御手段は、前記移動手段による前記自走式移動車の移動パターンを前後直進移動又はその場回転移動に指定し、
前記変位センサーは、前記自走式移動車が前記その場回転移動をするときの回転中心軸線上以外の位置に配置されて走行床面を撮影する１つの光学式変位センサーであり、前記回転中心軸線を通る車体前後中心線に一致する前後軸と、前記回転中心軸線を通り前記車体前後中心線に直交する車体左右中心線と平行な左右軸とから成る直交２軸を変位検出軸として有しており、
更に、前記移動制御手段は、前記光学式変位センサーが撮影した前記走行床面の画像の変動データに基づいて、前記自走式移動車が前記前後直進移動をするときに前記前後軸方向に検出される前記変位から前後直進距離を求め、前記自走式移動車が前記その場回転移動をするときに前記左右軸方向に検出される微小な前記変位について前記回転中心軸線の回りに見込む角度を微小な前記変位毎について逐次積算することでその場旋回角度を求めることを特徴とする自走式移動車。